燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接受反应气体的供给而进行发电的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池组是一种能量变换系统，用于通过将燃料气体及氧化气 体供给至膜-电极接合体而引起电化学反应，并将化学能变换为电能。 其中将固体高分子膜作为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池 组成本低且容易紧凑化，并且具有较高的输出密度，因此作为车载电 源的用途受到期待。
在燃料电池组的气体流路内部残留有由反应气体的电化学反应生 成的生成水或用于对反应气体进行加湿的加湿水等，若将该残留水以 放置的状态停止发电，则在低温环境下残留水会冻结，反应气体向膜-电极接合体的扩散受到妨碍，低温起动性降低。
鉴于上述问题，在日本特开2002-246053号公报中提出了如下方 法，通过在运转停止时向燃料电池组内部供给扫气气体，从而除去水 分，通过计测燃料电池组的交流阻抗来判断电解质膜的干燥程度。
专利文献1:日本特开2002-246053号公报

发明内容
但是，在具有如下功能的燃料电池系统中基于在开始扫气的时 点测定的燃料电池组的交流阻抗和从开始扫气开始经过规定时间测定 的燃料电池组的交流阻抗来推定扫气实施时间，如果在扫气开始时点的燃料电池内部的残留水分多，则将会产生在扫气实施时间中不能够 使燃料电池组充分地干燥的缺陷。
因此，本发明的课题是解决上述问题点，提供一种燃料电池系统， 能够为下次的起动做准备而尽量地减少燃料电池内部的含水量。
为了解决上述课题，本发明所涉及的燃料电池系统具有燃料电 池；扫气装置，向燃料电池供给扫气气体；交流阻抗测定部，在扫气 开始时点测定燃料电池的交流阻抗，并且在从扫气开始时点经过规定 时间的时点测定燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部，根据在 扫气开始时点测定的交流阻抗、在从扫气开始时点经过规定时间的时 点测定的交流阻抗以及规定时间，推定扫气实施时间；以及限制部， 在扫气实施时间超过预先确定的最大扫气时间的情况下，将扫气实施 时间限制为最大扫气时间。
当在扫气开始时点的燃料电池内部的残留水分较多时，通过在扫 气实施时间达到最大扫气时间为止实施扫气处理，由此能够为下次的 起动准备而尽量降低燃料电池内部的含水量。
在此，优选的是，扫气实施时间推定部使用内插函数来推定扫气 实施时间。由于伴随着扫气处理中的时间经过的交流阻抗的变化能够 与某一特定的函数曲线相近似，因此通过使用内插函数，能够提高推 定精度。
从扫气开始时点经过规定时间的时点可以是燃料电池的温度变化 速度的绝对值低于规定的阈值的时点，或者也可以是预先确定的一定 时间。通过在尽量使燃料电池内部的含水量低的时期测定交流阻抗， 从而能够提高扫气实施时间的推定精度。


图1是本实施方式所涉及的燃料电池系统的结构图。
图2是单体电池的分解立体图。
图3是表示单体电池的电特性的等价电路图。
图4是在复平面上表示燃料电池组的交流阻抗的曲线图。
图5是扫气处理所涉及的控制单元的功能框图。 图6是表示交流阻抗的时间变化的曲线图。 图7是表示交流阻抗的时间变化的曲线图。 图8是表示交流阻抗的时间变化的曲线图。
具体实施例方式
以下，参照

本发明所涉及的实施方式。
图1是表示本实施方式所涉及的燃料电池系统10的系统结构。
燃料电池系统10作为搭载在燃料电池车辆上的车载电源系统发 挥作用，具有燃料电池组20，接受反应气体(燃料气体、氧化气体) 的供给而发电；氧化气体供给系统30，用于将作为氧化气体的空气供 给至燃料电池组20;燃料气体供给系统40，用于将作为燃料气体的氢 气供给至燃料电池组20;电力系统50，用于控制电力的充放电；冷却 系统60，用于冷却燃料电池组20;以及控制单元(ECU) 卯，控制 系统整体。
燃料电池组20是串联地层积多个单体电池而构成的固体高分子 电解质型单体电池组。在燃料电池组20中，在阳极发生(1)式的氧 化反应，在阴极发生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20整体发 生(3)式的起电反应。
<formula>formula see original document page 5</formula>在燃料电池组20上安装有用于检测燃料电池组20的输出电压的 电压传感器71以及用于检测发电电流的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有氧化气体通路34，使向燃料电池组 20的阴极供给的氧化气体流过；以及氧化废气通路36，使从燃料电池 组20排出的氧化废气流过。在氧化气体通路34上设置有空气压縮 机32，经由过滤器31从大气中取入氧化气体；加湿器33，用于对向 燃料电池组20的阴极供给的氧化气体进行加湿；及节流阀35，用于调 整氧化气体供给量。在氧化废气通路36上设置有背压调整阀37，用 于调整氧化气体供给压力；以及加湿器33，用于在氧化气体(干气体) 和氧化废气(湿气体)之间进行水分交换。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41;燃料气体通路
45，使从燃料气体供给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体 流过；循环通路46，用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回至燃 料气体通路45;循环泵47，将循环通路46内的燃料废气压送至燃料 气体通路43;以及排气排水通路48，与循环通路47分支连接。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、贮氢合金等构成，贮存有高 压(例如，35MPa至70MPa)的氢气。在打开截止阀42时，燃料气体 从燃料气体供给源41向燃料气体通路45流出。通过调节器43、喷射 器44将燃料气体减压到例如200kPa左右而供给至燃料电池组20。
另外，燃料气体供给源41也可以构成为包括改性器，从烃类的 燃料生成富氢的改性气体；以及高压气体罐，使由该改性器生成的改 性气体为高压状态而蓄压。
调节器43是将其上游侧压力(一次压力)调压成预先设定的二次 压力的装置，例如，由对一次压力进行減压的机械式的减压阀等构成。
6机械式的减压阀包括如下构成具有隔着隔膜形成有背压室和调压室 的壳体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压力减压至规定的压 力而作为二次压力。
喷射器44是电磁驱动式的开关阀，通过利用电磁驱动力直接以规 定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，从而可调整气体流量、气体压力。
喷射器44具备阀座，该阀座具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔，
并且该喷射器44具备喷嘴管体，将该气体燃料供给引导至喷射孔； 以及阔芯，相对于该喷嘴管体沿轴线方向(气体流动方向)可移动地 被收容保持，并开关喷射孔。
排气排水通路48上配设有排气排水阀49。排气排水阔49按照来 自控制单元90的指令进行动作，由此将循环通路46内含有杂质的燃 料废气和水分排出至外部。通过排气排水阀49的开阀，降低循环通路 46内的燃料废气中的杂质浓度，从而能够提高在循环系统内循环的燃 料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀49排出的燃料废气与流过氧化废气通路34的氧 化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵47通过马达驱动 将循环系统内的燃料废气循环供给至燃料电池组20。
电力系统50具备DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、 牵引马达54及辅机类55。 DC/DC转换器51是具有如下功能的电力变 换单元使从蓄电池52供给的直流电压升压而输出到牵引变换器53 的功能和对燃料电池组20发电的直流电力或者牵引马达54通过再生 制动回收的再生电力进行降压而向蓄电池52充电的功能。通过DC/DC 转换器51的这些功能，控制蓄电池52的充放电。此外，通过由DC/DC 转换器51进行的电压变换控制，控制燃料电池组20的运转要素(输 出电压、输出电流)。蓄电池52作为剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏 源、伴随燃料电池车辆的加速或減速的负载变动时的能量缓冲器发挥 作用。作为蓄电池52，例如优选镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电 池等的二次电池。
牵引变换器53例如是以脉冲宽度调制方式被驱动的PWM变换 器，根据来自控制单元90的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池 52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引马达54的转矩。牵 引马达54例如是三相交流马达，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是配置在燃料电池系统10内的各部上的各马达(例如 泵类等的动力源)、用于驱动这些马达的变换器类、进而各种车载辅 机类(例如空气压縮机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
冷却系统60具备制冷剂通路61、 62、 63、 64，用于使对燃料 电池组20内部进行循环的制冷剂流过；循环泵65，用于压送制冷剂； 散热器66，用于在制冷剂与外界气体之间进行热交换；三通阀67，用 于切换制冷剂的循环路径；以及温度传感器74，用于检测制冷剂温度。 开闭控制三通阀67，以使在预热运转结束之后的通常运转时，从燃料 电池组20流出的制冷剂流过制冷剂通路61、 64而在散热器66冷却， 之后，流过制冷剂通路63再次流入燃料电池组20。另一方面，开闭控 制三通阀67，以使在系统刚刚起动之后的预热运转时，从燃料电池组 20流出的制冷剂流过制冷剂通路61、 62、 63而再次流入燃料电池组 20。
控制单元90是具备CPU、 ROM、 RAM、及输入输出接口等的计 算机系统，作为用于控制燃料电池系统IO的各部(氧化气体供给系统 30、燃料气体供给系统40、电力系统50及冷却系统60)的控制单元 发挥作用。例如，控制单元90在接受从点火开关输出的起动信号IG 时，开始燃料电池系统10的运转，根据从油门传感器输出的油门开度
8信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等，求出系统整体的要 求电力。
系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总计值。辅机 电力中包括车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却水循环 泵等)所消耗的电力、车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、 转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、乘员空间内配设的装置(空 调装置、照明器具及音响等)所消耗的电力。
并且，控制单元90决定燃料电池组20和蓄电池52之间的各输出 电力的分配，运算发电指令值，并且控制氧化气体供给系统30及燃料 气体供给系统40，以使燃料电池组20的发电量与目标电力一致。进而， 控制单元90控制DC/DC转换器51，调整燃料电池组20的输出电压， 从而控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。控制单 元90为了得到与油门开度相对应的目标车速，例如作为开关指令，将 U相、V相及W相的各交流电压指令值输出至牵引变换器53，并控制 牵引马达54的输出转矩及转速。
图2构成燃料电池组20的单体电池21的分解立体图。
单体电池21由电解质膜22、阳极23、阴极24及隔板26、 27构 成。阳极23及阴极24是从两侧夹持电解质膜22而形成夹层结构的扩 散电极。由不透过气体的导电性部件构成的隔板26、 27进而从两侧夹 持该夹层结构，并且在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧 化气体的流路。在隔板26上形成有截面凹状的肋26a。阳极23抵接在 肋26a上，从而使肋26a的开口部闭塞，形成燃料气体流路。在隔板 27上形成有截面凹状的肋27a。阴极24抵接在肋27a上，从而使肋27a 的开口部闭塞，形成氧化气体流路。
阳极23以载持有白金系的金属催化剂(Pt、 Pt-Fe、 Pt-Cr、 Pt-Ni、Pt-Ru等)的碳粉末为主成分，具有催化剂层23a，与电解质膜22接 触；以及气体扩散层23b,形成在催化剂层23a的表面上，同时具有透 气性和电子导电性。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。 更详细地说，催化剂层23a、 24a是如下述这样得到的使载持有白金 或白金与其他金属形成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量 添加电解质溶液而胶化，并在电解质膜22上网板印刷。气体扩散层23b、 24b由碳纤维形成的纱线所织成的碳布、碳纸或石墨毡形成。电解质膜 22是固体高分子材料，例如是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交 换膜，在湿润状态下发挥良好的电传导性。由电解质膜22、阳极23及 阴极24形成膜-电极组件25。
图3是表示单体电池21的电特性的等价电路图。
单体电池21的等价电路具有在R2和C的并联电路上串联Rl的 电路结构。在此，Rl相当于电解质膜22的电阻，R2相当于将活性化 过电压和扩散过电压进行电阻换算之后的值。C相当于在阳极23和电 解质膜22之间的界面以及阴极电极24和电解质膜22之间的界面上形 成的双电层容量。在对该等价电路施加具有规定频率的正弦波电流时， 电压的响应相对于电流的变化延迟。
图4是将燃料电池组20的交流阻抗表示在复平面上的曲线图。横 轴表示交流阻抗的实数部，纵轴表示交流阻抗的虚数部。co是正弦波 电流的角频率。
若向图3所示的等价电路施加从高频到低频的正弦波信号，则能 够得到图4所示的曲线图。正弦波信号的频率无限大时("=^)的交 流阻抗为Rl。正弦波信号的频率非常小时("=0)的交流阻抗为Rl+R2。 在使正弦信号的频率在从高频到低频之间变化时得到的交流阻抗描画 图4所示的半圆。
10这样，通过使用交流阻抗法，能够对燃料电池组20的等价电路中
的R1和R2分离而进行计测。在R1大于预先确定的规定值、燃料电池 组20的输出降低时，电解质膜22干燥而电阻过电压变大，判断为导 电率降低是输出降低的原因。在R2大于预先确定的规定值、燃料电池 组20的输出降低时，在电极表面上存在过剩的水，判断为扩散过电压 变大的情况为原因。
图5是表示扫气处理所涉及的控制单元90的功能框图。
控制单元90具备电压指令部91、交流阻抗测定部92、测定存 储器93、扫气实施时间推定部94及限制部95，通过上述各部的协作 作为扫气控制单元起作用。
由控制单元90进行的燃料电池组20的交流阻抗计测按照以下的
顺序实施。
(1) 电压指令部91生成在规定的直流电压上重叠正弦波信号的 电压指令值，并将该电压指令值输出至DC/DC转换器51。
(2) DC/DC转换器51基于电压指令值进行动作，将蓄积在蓄电 池52中的直流电力变换为交流电力，对燃料电池组20施加正弦波信号。
(3) 交流阻抗测定部92对由电压传感器71检测的响应电压和由 电流传感器72检测的响应电流以规定的取样率进行取样，并进行高速 傅立叶变换处理(FFT处理)，将响应电压和响应电流分别分割为实 成分和虚成分，用FFT处理后的响应电压除以FFT处理后的响应电流， 从而计算出交流阻抗的实成分和虚成分，并计算出复平面上与原点之 间的距离r和相位角0 。通过使施加在燃料电池组20上的正弦波信号 的频率连续变化的同时计测响应电压和响应电流，由此能够计算出燃
11料电池组20的交流阻抗。
另外，在燃料电池组20中流动的电流伴随着化学反应引起的电荷移动，因此若使交流信号的振幅增大，则针对供给气体量的反应量(气体利用率)发生变动。若气体利用率发生变动，则担心交流阻抗的测定中产生误差，因此优选的是，在交流阻抗测定时施加在燃料电池组
20上的信号的交流成分是直流成分的百分之几。
交流阻抗测定部92将如上所述那样测定的交流阻抗的值存储在测定存储器93中。扫气实施时间推定部94基于存储在测定存储器93中的交流阻抗的值来推定扫气实施时间。限制部95在扫气实施时间推定部94推定的扫气实施时间超过最大扫气时间时，将扫气实施时间限制为最大扫气时间。最大扫气时间可以另外称为扫气超时(timeout)时间。
接着，参照图6至图8说明推定扫气实施时间的方法。
图6是表示交流阻抗的时间变化的曲线图。横轴表示时间，纵轴表示燃料电池组20的交流阻抗的值。时刻tl表示点火开关变为关的时间。在时刻tO 时刻tl的期间，燃料电池系统IO处于发电状态，交流阻抗测定部92以一定周期间隔运算燃料电池组20的交流阻抗，并将交流阻抗的值存储在测定存储器93中。存储在测定存储器93中的交流阻抗的值逐渐被更新为最新的值。
当在时刻tl点火开关关闭、向控制单元90发出运转停止的指令时，控制单元90将在时刻tl的时点计测的交流阻抗的值Zl存储在测定存储器93中，并开始扫气处理。扫气处理是具有如下用处的处理驱动作为扫气装置的空气压縮机32，使作为扫气气体的加压空气在燃料电池组20内部的气体通道中流动，从而适当地调节气体通道内部的湿润状态。若在气体通道中残存大量的水分，则不仅在下次起动时的起动性降低，而且担心在低温环境下因水分冻结而导致配管、阀等损坏。另一方面，若燃料电池组20内部的水分稍微不足，则电解质膜22的导电性降低，因此引起发电效率降低。因此，扫气实施时间推定部
94预先计算出燃料电池组20内部成为最佳的湿润状态时的交流阻抗的值，预先将该算出的交流阻抗的值设定为目标交流阻抗，推定用于使燃料电池组20的交流阻抗与目标交流阻抗一致的扫气实施时间。
在从开始扫气处理起经过时间Tl的时刻t2，控制单元90计测燃料电池组20的交流阻抗Z2，将存储在测定存储器93中的最新的交流阻抗的值从Zl更新为Z2。作为时间Tl，从提高扫气实施时间的推定精度的观点出发，优选能够预见到的燃料电池组20内部的含水量尽量低的时期。根据该观点，优选的是，检测燃料电池组20的温度变化速度，将该温度变化速度的绝对值小于规定的阈值为止的时间作为时间Tl。温度变化速度的绝对值小于规定的阈值是因为燃料电池组20内部的气化水量达到饱和状态，能够推定为达到了适度的干燥状态。
扫气实施时间推定部94如图7所示，使用内插函数200，基于时刻tl的时点计测的交流阻抗Zl及时刻t2的时点计测的交流阻抗Z2，推定为了使交流阻抗与目标交流阻抗Z3 —致所需的扫气实施时间T2。内插函数200是用于基于至少两个测定坐标，例如(tl， Zl)及(t2，Z2)来推定目标坐标(t3， Z3)的函数，预先通过实验等求出。作为内插函数200，例如优选二次函数。在每个单位时间的扫气气体供给量及组温度分别一定的情况下，交流阻抗的值呈二次函数地增加，通过本发明人的实验确认了这一点。作为二次函数的例子，例如，设t为时间、Z为交流阻抗、a及ZO为正的常数，则能够列举出Z=at2 + Z0。在将两个测定坐标代入该二次函数后，常数a及Z0的值确定。Z=Z3时t的解为扫气结束时刻t3。通过扫气实施时间T2-扫气结束时刻t3-扫气开始时刻tl能够计算出扫气实施时间T2。这样推定的扫气实施时间T2短于最大扫气时间Tm时，在从时刻t2到经过扫气实施时间T2的时刻t3为止实施扫气处理。
13另一方面，如图8所示，在扫气实施时间T2长于最大扫气时间
Tm时，限制部95将扫气实施时间限制为最大扫气时间Tm，在从时刻tl起到经过最大扫气时间Tm的时刻t4为止实施扫气处理。在扫气开始时的燃料电池组20内部的水分量较多时，即使实施扫气处理也很难使燃料电池组充分地干燥，因此在这种情况下，在从扫气开始时刻起经过最大扫气时间Tm为止实施扫气处理，从而能够为下次起动做准备而尽量降低燃料电池组20内部的水分量。
另外，扫气实施时间T2长于最大扫气时间Tm时，即使扫气处理结束时的电解质膜22的干燥不充分，限制部95将扫气实施时间限制为最大扫气时间Tm，禁止扫气实施时间超过最大扫气时间Tm的扫气处理。在此，电解质膜22的干燥不充分的情况是指燃料电池组20内部的水分残留有规定量Qth以上的情况。燃料电池组20内部的水分量与交流阻抗具有相关性，因此在燃料电池组20的交流阻抗低于目标交流阻抗时，能够判定为电解质膜22的干燥不充分。在此，目标交流阻抗是指燃料电池组20内部为最佳湿润状态(残留水分量Qth)时的交流阻抗。
即使在扫气开始前推定出从扫气开始时刻起到经过最大扫气时间Tm的时点的燃料电池组20的交流阻抗低于目标交流阻抗，或者，即使从扫气开始时刻起到经过最大扫气时间Tm的时点实际测定的燃料电池组20的交流阻抗低于目标交流阻抗，限制部95也将扫气实施时间限制为最大扫气时间Tm。
另外，空气压縮机32通过来自蓄电池52的电力驱动，因此最大扫气时间Tm的时间长度也可以根据蓄电池52的SOC( State of charge:
充电状态)适当设置。
在上述的实施方式中，示例了将燃料电池系统IO作为车载电源系统应用的利用方式，但是燃料电池系统10的利用方式不限于该例子。例如，也可以将燃料电池系统IO作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源进行搭载。此外，本实施方式所涉及的燃料电池系统10也可以作为住宅或大厦等的发电设备(定置用发电系统)进行利用。
产业实用性
根据本发明，在扫气实施时间达到最大扫气时间为止，继续进行扫气处理，从而能够为下次起动做准备而尽量降低燃料电池内部的含
权利要求
1.一种燃料电池系统，具备燃料电池；扫气装置，向所述燃料电池供给扫气气体；交流阻抗测定部，在扫气开始时点测定所述燃料电池的交流阻抗，并且在从所述扫气开始时点经过规定时间的时点测定所述燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部，根据在所述扫气开始时点测定的交流阻抗、在从所述扫气开始时点经过规定时间的时点测定的交流阻抗以及所述规定时间，推定扫气实施时间；以及限制部，在所述扫气实施时间超过预先确定的最大扫气时间的情况下，将所述扫气实施时间限制为所述最大扫气时间。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，所述扫气实施时间推定部利用内插函数来推定所述扫气实施时间。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，从所述扫气开始时点经过所述规定时间的时点是所述燃料电池的 温度变化速度的绝对值低于规定的阈值的时点。
4. 如权利要求1所述的燃料电池系统， 所述规定时间是预先确定的 一 定时间。
5. 如权利要求1所述的燃料电池系统，在由所述扫气实施时间推定部所推定的扫气实施时间超过所述最 大扫气时间的情况下，即使扫气结束时所述燃料电池的交流阻抗低于 目标交流阻抗，所述限制部也将所述扫气实施时间限制为所述最大扫 气时间。
全文摘要
燃料电池系统包括交流阻抗测定部(92)，在扫气开始时点测定燃料电池的交流阻抗，并且在从扫气开始时点经过规定时间的时点测定燃料电池的交流阻抗；扫气实施时间推定部(94)，根据在扫气开始时点测定的交流阻抗、在从扫气开始时点经过规定时间的时点测定的交流阻抗以及规定时间，推定扫气实施时间；以及限制部(95)，在扫气实施时间超过预先确定的最大扫气时间时，将扫气实施时间限制为最大扫气时间。
文档编号H01M8/04GK101682054SQ200880015528
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月8日 优先权日2007年5月10日
发明者今村朋范, 屉本健一郎 申请人:丰田自动车株式会社